本申请涉及晶体材料原子尺度加工，具体涉及一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法。
背景技术：
1、目前，实现原子及近原子尺度去除的工艺方法包括极紫外(euv)光刻、原子层刻蚀(ale)以及扫描探针刻蚀等技术。然而euv光刻主要为横向纳米尺度的表面曝光；ale技术对工件和反应气体要求较高，虽然在理论上是层级去除材料但是很难真正实现仅一层或两层的原子可控去除；扫描探针技术可以实现对单原子的操纵，却因超低的效率不适用于大规模生产。因此，引入一种通用的可控材料原子级去除或改性方法有望于推动制造3.0时代的发展和应用。
2、近年来，脉冲激光技术被广泛应用于材料加工领域，激光微纳加工表现出来的非接触性、材料通用性、高效率和低损伤等特点使其成为一种热门的制备方法。脉冲激光加工的非接触性使得可以在不破坏表面的情况下实现材料表面的精准定位和高效加工。随着超衍射极限技术的发展，激光横向加工特征尺寸也从微米尺度不断向亚十纳米的量子极限推进。在纵向上，使用激光可以在二维材料上实现层级剥离，这些方法被用于原子级透镜的加工制造上。不过，当前未见有对激光稳定进行晶体材料原子层级加工的报道。
3、约束层辅助激光制备方法通常在需要加工的基底材料上镀金属或介质膜，借助约束层对入射激光的调控以及对界面热和应力的约束作用，实现更高的表面加工质量和加工精度。另外，金属膜辅助也可以在脆性材料上实现更大的打孔深度。这些方法从技术上看是借助约束层对光的调控作用实现对基底材料的烧蚀，从结果上看是涉及到微米到百纳米级的表面加工，重点在于对表面质量的提升。
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供了一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，解决了现有技术中未能对半导体晶体材料上的原子和近原子尺度进行加工的技术问题。
2、本申请提供了一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，包括如下制备步骤：步骤(1)：在工件表面镀膜，在工件基底材料的表面镀膜一层金属膜；步骤(2)、对镀膜工件表面进行脉冲激光单点辐照，获取辐照能量密度的初始值；根据基底材料的类型、镀膜金属膜的类型以及所采用的激光波长和脉宽，获取辐照能量密度的初始值；步骤(3)、通过数值模拟方法对基底材料的原子层表面改性去除进行仿真，修正加工固定原子层数所需的激光能量大小；根据步骤(2)获取的辐照能量密度的初始值，通过数值模拟方法进一步确定工件基底材料的原子层表面改性去除所需能量密度，修正待加工固定原子层数所需的激光能量，并确定原子级表面改性所需脉冲能量等工艺参数；步骤(4)、脉冲激光辐照进行原子层级表面改性；根据步骤(3)仿真得到的待加工固定原子层数所需的激光能量，使用激光辐照待加工的镀膜的工件表面，对工件基底进行原子层级表面改性加工，获得需要的表面加工图案；步骤(5)、采用酸刻工艺对步骤(3)的表面改性层进行刻蚀获得去除表面改性层的原子层级。
3、在一实施例中，所述步骤(1)中，金属膜原子的质量以及体积大于所述工件基底材料原子的质量以及体积。
4、在一实施例中，所述步骤(1)中，所述基底材料包括碳化硅、硅、金刚石、氮化镓、氧化镓中的一种，所述工件基底材料的初始表面粗糙度ra小于0.2nm。
5、在一实施例中，所述金属膜包括金、铂、银、铜、铝、铟、铬中的一种。
6、在一实施例中，所述步骤(1)中，所述镀膜方法包括磁控溅射、分子束外延、物理/化学气相沉积镀膜中的一种。
7、在一实施例中，所述步骤(1)中，所述镀膜厚度为在0.2nm-50nm。
8、在一实施例中，所述步骤(2)中，所述脉冲激光光源包括飞秒、皮秒或纳秒激光中的一种，波长从紫外到近红外。
9、在一实施例中，所述步骤(2)中，所述数值模拟方法是采用双温模型的分子动力学(ttm-md)模型对激光辐照过程进行计算，模型中将电子与晶格作为独立的两个子系统，其中激光能量直接沉积在电子子系统，其电子系统与晶格系统的温度交换为：
10、
11、式中：c为电子比热；g为电子声子耦合系数；t为温度；k表示热导率；e表示电子系统；l表示晶格子系统；s表示激光作用源项；x表示激光入射方向；t表示时间；te表示电子系统的温度；tl表示晶格子系统的温度；ce表示电子系统的电子比热；ke表示电子系统的热导率；
12、晶格子系统的温度通过对原子进行热力学统计平均计算得到：
13、
14、式中：kb为玻尔兹曼常数；ncell为胞内的原子数量；是胞内原子群的质心速度；代表原子i的速度；mi代表原子i的质量。
15、在一实施例中，所述步骤(3)中，所述表面改性加工包括：通过脉冲激光单点辐照获得点结构进行表面曝光获得表面改性的图案；或通过空间光调制器进行表面曝光获得表面改性的图案；或通过光场调控方法调控光斑形貌进行表面曝光获得表面改性的图案。
16、在一实施例中，所述步骤(4)中，所述对表面改性层进行刻蚀包括：首先使用王水溶液浸泡样品1-2h去除镀金属层；然后采用一定浓度的酸溶液和去离子水混合溶液，或浸泡2-3h去除改性层；其中，所述酸溶液为体积比为2:3:4的40wt％的氢氟酸、66wt％的硝酸和去离子水配制的混合溶液；或所述酸溶液为体积比为1:10的38wt％的盐酸和去离子水配制的混合溶液；或所述酸溶液为66wt％的硝酸溶液中的任意一种。
17、在一实施例中，所述制备步骤还包括对加工表面质量测量的评价，使用高精度原子力显微镜获得加工表面的形貌，使用tesp-v2型探针获取点阵结构中25个辐照点的原子层级去除量，通过25个辐照点的去除深度对比，评价原子层级深度表面的加工质量。
18、本申请提供的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，包括如下制备步骤：步骤(1)：在工件表面镀膜，在工件基底材料的表面镀膜一层金属膜；步骤(2)、对镀膜工件表面进行脉冲激光单点辐照，获取辐照能量密度的初始值；根据基底材料的类型、镀膜金属膜的类型以及所采用的激光波长和脉宽，获取辐照能量密度的初始值；步骤(3)、通过数值模拟方法对基底材料的原子层表面改性去除进行仿真，修正加工固定原子层数所需的激光能量大小；根据步骤(2)获取的辐照能量密度的初始值，通过数值模拟方法进一步确定工件基底材料的原子层表面改性去除所需能量密度，修正待加工固定原子层数所需的激光能量，并确定原子级表面改性所需脉冲能量等工艺参数；步骤(4)、脉冲激光辐照进行原子层级表面改性；根据步骤(3)仿真得到的待加工固定原子层数所需的激光能量，使用激光辐照待加工的镀膜的工件表面，对工件基底进行原子层级表面改性加工，获得需要的表面加工图案；步骤(5)、采用酸刻工艺对步骤(3)的表面改性层进行刻蚀获得去除表面改性层的原子层级。本申请通过在待加工表面沉积金属膜的方式，实现脉冲激光对表层镀膜材料的烧蚀，并借助金属原子的扩散作用完成在半导体晶体材料上的原子和近原子尺度加工，对基础科学的发展以及工业生产应用都具有重要的实际意义。
1.一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
2.根据权利要求1所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，金属膜的原子质量和体积大于所述工件基底材料原子的质量和体积；
3.根据权利要求2所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述金属膜包括金、铂、银、铜、铝、铟、铬中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述镀膜方法包括磁控溅射、分子束外延、物理/化学气相沉积镀膜中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述镀膜厚度为0.2nm-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述脉冲激光光源包括飞秒、皮秒或纳秒激光中的一种，波长从紫外到近红外。
7.根据权利要求6所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，数值模拟方法是采用双温模型的分子动力学模型对激光辐照过程进行计算，模型中将电子与晶格作为独立的两个子系统，其中激光能量直接沉积在电子子系统，其电子系统与晶格系统的温度交换为：
8.根据权利要求1所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述表面改性加工包括：通过脉冲激光单点辐照获得点结构进行表面曝光获得表面改性的图案；或通过空间光调制器进行表面曝光获得表面改性的图案；或通过光场调控方法调控光斑形貌进行表面曝光获得表面改性的图案。
9.根据权利要求1所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述对表面改性层进行刻蚀包括：
10.根据权利要求1所述的一种金属膜辅助激光原子尺度加工方法，其特征在于，所述制备步骤还包括对加工表面质量测量的评价，使用原子力显微镜获得加工表面的形貌，使用探针获取点阵结构中25个辐照点的原子层级去除量，通过25个辐照点的去除深度对比，评价原子层级深度表面的加工质量。
